2020 Fiscal Year Research-status Report
Nitride-based spintronics materials for ultrafast current-induced domain wall motion
| Project/Area Number |
19KK0104
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
末益 崇 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本多 周太 関西大学, システム理工学部, 准教授 (00402553)
中堂 博之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (30455282)
柳原 英人 筑波大学, 数理物質系, 教授 (50302386)
奥村 宏典 筑波大学, 数理物質系, 助教 (80756750)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2024-03-31
|
| Keywords | スピントロ二クス / フェリ磁性体 / 磁壁 / 電流駆動磁壁移動 / 磁化補償 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、フェリ磁性体Mn4Nをベースとする新規スピントロニクス材料において、超高速の磁壁移動を実現することを目的とする。これまでに、チタン酸ストロンチウム基板上にエピタキシャル成長したMn4N膜を用いた磁性細線において、パルス電流注入により、最大900m/sの電流駆動磁壁移動を達成してきた。フェリ磁性体では、副格子を構成するMnのスピン角運動量の総和がゼロになる補償点において、磁壁の移動速度が発散すると期待される。そのような候補材料としてMn4NにNiを添加したMn(4-x)Ni(x)N膜を取り上げ、X線磁気円二色性(XMCD)測定より、令和元年度の実験で、x=0.1と0.25の間で磁化がゼロになることを明らかにしてきた。このようなNi組成周辺で、磁壁の移動速度は格段に大きくなると期待される。そこで、Ni組成を細かく変えた試料を作製し、フランスに試料を送って、電流駆動磁壁移動を評価した。その結果、磁壁の移動速度は最大3000m/sに達した。この値は、あらゆる磁性体の中で、スピン移行トルクのみによる磁壁移動速度として、室温で最大の値である。また、Ni組成が磁化補償組成を超えて大きくなると、磁壁の移動方向が逆向きになることも明らかになった。磁化補償前後のNi組成で、X線磁気円二色性測定によりMnの磁気モーメントの方向が反転することが分かっている。電流に寄与するフェルミ準位近傍では、面心に位置するMn(II)原子の寄与が大きいことが第一原理計算から分かっており、このMn(II)原子の磁気モーメントが反転することが、磁壁の移動方向の逆転の原因と考えている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
スピン移行トルクのみを用いた磁壁移動速度として、室温でこれまでに報告されている中で最大の値を達成した。磁化補償組成付近で、磁壁移動速度が大きくなることは理論的に予想されていたが、本実験において、実証することに成功した。以上のことから、本研究は、当初の計画以上に進展していると考えている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
Mn4Nをベースとするフェリ磁性体では、Coを微少量ドーピングすることでも、室温で磁化補償が生じることが分かっている。Niをドーピングした試料と異なるのは、室温で2つのCo組成で磁化補償が生じることである。このため、Coをドーピングした試料においても、高速の磁壁移動速度が期待されるため、細線構造を作製して評価する。また、これまで磁性不純物をドーピングしてきたが、非磁性不純物をドーピングした試料を成長し、磁化補償の有無を調べ、Mn4Nの新しい可能性を探索する。
|
| Causes of Carryover |
コロナの影響で渡仏しての共同研究が出来なかったこと、さらに、日本での実験が当初の計画以上に進んだことで、今後の実験計画を練り直す必要が生じたため。令和３年度も渡仏の目途が立たないため、より高品質な磁性材料薄膜の結晶成長を実現すべく、現在使っている薄膜結晶成長装置内部の真空度をより向上するための物品を購入する計画である。
|
-
-
[Journal Article] Current-Driven Domain Wall Dynamics in Ferrimagnetic Nickel- Doped Mn4N Films: Very Large Domain Wall Velocities and Reversal of Motion Direction across the Magnetic Compensation Point2021
Author(s)
Sambit Ghosh, Taro Komori, Ali Hallal, Jose Pena Garcia, Toshiki Gushi, Taku Hirose, Haruka Mitarai, Hanako Okuno, Jan Vogel, Mairbek Chshiev, Jean-Philippe Attane, Laurent Vila, Takashi Suemasu, Stefania Pizzini
-
Journal Title
Nano Letters
Volume: 21
Pages: 2580-2587
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
[Journal Article] Magnetic compensation at two different composition ratios in rare-earth-free Mn4-xCoxN ferrimagnetic films2020
Author(s)
Haruka Mitarai, Taro Komori, Taku Hirose, Keita Ito, Sambit Ghosh, Syuta Honda, Kaoru Toko, Laurent Vila, Jean-Philippe Attane, Kenta Amemiya, Takashi Suemasu
-
Journal Title
Physical Review Materials
Volume: 4
Pages: 094401.1-6
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
[Journal Article] Manipulation of saturation magnetization and perpendicular magnetic anisotropy in epitaxial CoxMn4－xN films with ferrimagnetic compensation2020
Author(s)
Keita Ito, Yoko Yasutomi, Siyuan Zhu, Munisa Nurmamat, Masaki Tahara, Kaoru Toko, Ryota Akiyama, Yukiharu Takeda, Yuji Saitoh, Tamio Oguchi, Akio Kimura, Takashi Suemasu
-
Journal Title
Physical Review B
Volume: 101
Pages: 104401.1-8
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
-
-
-
